4. RELE DIFERENSIAL PADA SALURAN TRANSMISI
4.9 Skema Proteksi Arus Diferensial Analog
Dalam skema arus diferensial dengan teknik analog sering digunakan kanal pembawa (carrier) yang diperlukan untuk membawa besaran-besaran sudut fasa maupun
besaran-besaran arus dari satu ujung ke rele pada ujung lain untuk diperbandingkan satu dengan lainnya. Teknik transmisi dapat dilakukan baik dengan menggunakan frekuensi suara dengan modulasi frekuensi FM atau pada sistim komunikasi data dijital dengan converter A/D. Untuk dapat membandingkan kedua besaran secara tepat maka lama waktu propagasi signal perlu diperhatikan dan dicatat sehingga pelaksanaan perbandingan sinyal lokal dengan sinyal yang diterima dari ujung remote dapat dilakukan secara sinkron sehingga hasil pengukuran dapat terhindar dari kesalahan karena adanya kelambatan waktu propagasi.
Disamping itu masalah lebih lanjut yang perlu diperhatikan adalah perlunya skala pengukuran dinamis dimana besarnya arus yang diukur bisa berubah-ubah mulai dari yang kecil hingga puluhan kali atau lebih arus nominalnya. Hal ini dimaksudkan bahwa kanal sistim transmisi yang diperlukan harus mampu mengirimkan informasi secara linier sesuai dengan skala laju transmisi dinamis tanpa mengalami distorsi. Ini artinya bahwa untuk skema proteksi diferensial perlu tersedia lebar bidang transmisi yang luas.
Dalam hal penggunaan power line carrier dimana lebar bidang yang tersedia terbatas kita memerlukan kanal frekuensi suara secara penuh. Mengingat hal-hal tersebut dan pentingnya sarana komunikasi yang menjadi bagian integral dari sistim proteksi diferensial maka pada waktu perencanaan perlu adanya studi dan pertimbangan yang teliti dan hati-hati sehingga pemilihan sistim komunikasi dapat dilakukan secara optimal sesuai dengan biaya yang tersedia tanpa mengorbankan kebutuhan sistim proteksi secara seimbang. Dengan semakin majunya rele-rele numeris dan mengingat penggunaan fiber optik pada sistim komunikasi pada sistim tenaga listrik sudah semakin banyak maka rele diferensial dengan teknik analog sudah semakin jarang dan umumnya sudah ditinggalkan.
4.9.1 Rele Pembanding Fasa
Rele pembanding fasa dilakukan dengan membandingkan arah arus yang mengalir pada saluran transmisi yang menghubungkan dua gardu, yaitu yang dalam keadaan normal satu memasuki gardu sedang pada ujung yang lain meninggalkan gardu. Pada sistim ini besar arus tidak ikut diperbandingkan. Untuk dapat memperbandingkan sudut fasa antara dua besaran arus yang mengalir pada saluran yang sama namun saling berjauhan diperlukan suatu kanal frekuensi pembawa yang dapat digunakan untuk membawa informasi besar sudut fasa dari satu ujung rele ke rele pada ujung lain sehingga dapat dibandingkan satu sama lain. Prinsip perbandingan fasa dapat di ilustrasikan dalam Gambar 4.11.
Kanal pembawa PLC mentransfer informasi lojik sinyal on-off yang disuntikkan pada setiap titik perpotongan frekuensi sistim tenaga. Rekaman-rekaman atau jejak-jejak titik potong ini kemudian dibandingkan dengan setiap titik potong frekuensi sistim tenaga pada ujung remote sehingga pengukuran perbedaan titik-titik potong tersebut dapat digunakan sebagai dasar untuk mengukur beda sudut fasa antar arus pada ke dua ujung saluran yang sekaligus dapat digunakan sebagai parameter diskriminasi untuk membedakan apakah gangguan yang terjadi adalah gangguan internal atau gangguan eksternal (through fault). Arus yang mengalir diatas setelan threshold bisa
dibuat untuk memadamkan frekuensi pembawa (carrier). Dengan menggunakan prinsip ini sistim proteksi bisa dirancang bekerja misal dengan mengukur sela antara sinyal pembawa yang lebih panjang dari lama waktu threshold sesuai dengan setelan sudut fasa sistim proteksi.Arus beban lewat atau through current pada kedua ujung saluran yang diproteksi selalu berada pada posisi berlawanan (lihat kovensi arah), sementara itu arus gangguan internal akan mempunyai fasa yang sama yaitu sama-sama meninggalkan busbar. Dengan demikian, bila hubungan fasa arus gangguan lewat diambil sebagai referensi, maka gangguan internal akan menyebabkan perbedaan sudut fasa sebesar 1800 terhadap arus lewat referensi.Rele skema perbandingan fasa selalu tanggap terhadap setiap perubahan besarnya perbedaan sudut fasa antara arus gangguan internal terhadap arus gangguan eksternal sebagai referensi. Namun pada umumnya perintah tripping biasanya dirancang baru terjadi pada batas-batas pergeseran sudut fasa mulai dari 300 hingga sampai 900.
Hal ini dapat diperoleh dengan menentukan setelan waktu tunda saat mulai aktifnya rangkaian pengukuran sesuai dengan kondisi tertentu yang bisa diset. Sudut ini biasanya disebut Sudut Stabilitas. Gambar 4.12 adalah contoh diagram polar yang menggambarkan karakteristik diskriminasi yang dihasilkan dari teknik pengukuran yang digunakan dalam teknik perbandingan fasa. Karena kanal frekuensi pembawa yang diperlukan hanya untuk mentransfer informasi biner, maka teknik ini sebenarnya mirip dengan pengiriman sinyal perintah teleproteksi. Adapun skema operasi dapat dilakukan baik untuk moda bloking ataupun untuk moda operasi permissive tripping. Moda operasi sistim pada Gambar 4.11 adalah moda bloking karena keluaran komparator hanya ada bila kedua keluaran squarer sama-sama dengan nol.
Dalam hal ini cara kerja komparator dibuat sedemikian rupa sehingga out put keluarannya akan menjadi lojik 1 bila kedua keluaran squarer sama-sama berada pada lojik nol. Skema permissive tripping dapat dibuat dengan cara yang mirip dimana keluaran komparator dirancang untuk mengeluarkan keluaran lojik 1 pada kondisi dimana keluaran squarer sama-sama berada pada lojik 1. Kinerja skema proteksi termasuk kemampuannya untuk mengatasi gangguan pada sistim dengan pembangkit (generator) tunggal selama gangguan atau pada waktu ada gangguan carrier tergantung dari moda operasi sistim, jenis dan fungsi detektor gangguan atau elemen unit starting dan penggunaan sinyal tambahan lain atau kode-kode untuk pemantauan dan transfer tripping.
G Rangkaian Penjumlah H Rangkaian Penjumlah Squarer A Pengirim Penerima Pembanding Fasa Diskriminasi Lebar Pulsa Squarer C Perangkat signalling dan
kanal komunikasi B D‟ D E F Pengirim Penerima Pembanding Fasa Diskriminasi Lebar Pulsa
~ IG IH ~
G H
Setting Stabilitas A. Penjumlahan Tegangan di G
B. Keluaran Rangkaian Squarer di G
C. Penjumlahan Tegangan di H
D. Keluaran Rangkaian Squarer di H
E. Keluaran Pembanding di G E = B + D
F. Keluaran Diskriminator di G
~ IG IH ~
G H
Gambar 4.11: Prinsip Proteksi Dengan Perbandingan Fasa1,11
Stabilitas θ=90° θ=180° - Sudut Tripping θ=270° θ=0° R Øs Øs
θ Pergeseran Sudut Fasa Differensial Terhadap Referensi (Arus Gangguan Eksternal) OR Adalah Gangguan Eksternal (Referensi)
IG, IH Arus Pada Kedua Ujung Saluran (Pada Gangguan Eksternal IG+, IH- dan Pada Gangguan Internal IG+, IH+…...Lihat konvensi Arus)
Øs Setting Sudut Stabilitas
0
Gambar 4.12: Diagram Polar Skema Perbandingan Fasa1,5
Transmisi sinyal biasanya dilakukan pada kanal frekuensi suara dengan menggunakan teknik frekuensi shift keying FSK atau dengan teknik transmisi seperti pada PLC. Kanal frekuensi suara dengan menggunakan FSK bekerja berdasarkan pergeseran dua frekuensi diskrit misal dengan berayunnya frekuensi sinyal sebesar plus minus 120 Hz disekitar frekuensi tengah yang bisa dipilih dalam bidang frekuensi suara. Pengaturan pergeseran frekuensi demikian tidak terlalu berpengaruh terhadap bervariasinya kelambatan waktu meskipun dengan menggunakan semua bidang frekuensi suara secara khusus untuk keperluan sistim proteksi.
Dengan demikian kanal frekuensi suara bisa dimanfaatkan baik untuk keperluan komunikasi suara, data dan untuk sistim proteksi sekaligus. Hal ini berbeda dengan sistim pengukuran fasa pada rele diferensial analog yang membutuhkan semua kanal khusus untuk keperluan sistim proteksi.
Untuk skema perbandingan fasa yang peka, kompensasi terhadap kelambatan kanal tetap perlu dibuat secara akurat. Namun rangkaian kelambatan pada sistim transmisi dijital biasanya dapat dibuat lebih sederhana berdasarkan prinsip kerja rangkaian-rangkaian pencacah dijital dengan ketelitian yang tinggi. Berbeda dari rangkaian-rangkaian kelambatan analog yang banyak dibuat berdasarkan karakteristik pengisian dan pembuangan kapasitor yang dirangkai dengan rangkaian tahanan yang perlu ditala secara cermat dan tepat.
Prinsip kanal Power line Carrier diperlihatkan pada Gambar 4.14. Pada teknik kanal PLC ini, keluaran lojik squarer digunakan secara langsung untuk menyalakan transmitter pada posisi on atau posisi off dimana blok-blok sinyal frekuensi pembawa dihubungkan langsung ke jaringan transmisi dan dipancarkan hingga sampai di ujung penerima pada ujung lain. Threshold sinyal pembawa diatas dideteksi oleh penerima dan membuat sinyal lojik sesuai dengan sinyal frekuensi pembawa. Berbeda dengan Gambar 4.11, sistim signaling pada Gambar 4.14 dilakukan dengan 2-kawat bukan dengan 4-kawat.
Dalam hal ini transmisi lokal dikopel langsung dengan perangkat penerima lokal bersama-sama dengan sinyal yang diterima. Frekuensi pemancar pada kedua ujung saluran adalah sama, sehingga penerima bisa tanggap terhadap blok-blok frekuensi dari kedua ujung saluran.
Arus gangguan lewat eksternal yang dirupakan dalam blok-blok frekuensi pembawa dari ke dua ujung, masing-masing berlangsung setiap setengah siklus, tetapi dengan beda fasa yang saling berlawanan fasa, sehingga sinyal campuran selalu berada diatas level threshold dan keluaran lojik detektor akan selalu 1.
Setiap pergeseran fasa relatif terhadap sudut referensi arus gangguan eksternal akan menghasilkan celah antara blok-blok frekuensi campuran yang dalam hal ini akan merupakan keluaran detektor yaitu lojik 0. Durasi atau panjangnya lojik 0 ini dapat digunakan sebagai dasar untuk membedakan gangguan yang terjadi apakah gangguan internal atau gangguan eksternal. Namun demikian, perintah tripping terhadap gangguan internal baru dilaksanakan hanya setelah setelan kelambatan waktu sudah dilewati. Kelambatan ini biasanya dinyatakan dalam besaran pergeseran fasa yaitu dalam derajat yaitu dengan tanda фs seperti terlihat pada Gambar 4.12.
Keuntungan-keuntungan penggunaan saluran sistim tenaga sebagai media komunikasi antara lain adalah diperolehnya sistim komunikasi yang handal dengan rugi-rugi redaman transmisi yang rendah dan tahan terhadap derau transmis. Disamping itu sistim komunikasi ini sudah teruji bagus selama berpuluh-puluh tahun.
Kelambatan propagasi sinyal pada sistim PLC secara praktis dapat diperhitungkan pada setelan stabilitas sudut, sehingga skema proteksi ini mempunyai tingkat sensitifitas yang baik. Disamping itu, signaling khusus on/off frekuensi sangat cocok digunakan untuk perbandingan skema bloking karena meskipun misalnya pengaruh derau bisa
menyebabkan kesalahan namun kegagalan skema bloking biasanya tidak akan berakibat fatal total terhadap sistim. Ini agak berbeda dengan skema trip langsung yang tidak boleh tidak harus terkirim secara tepat dan pasti tanpa ada kegagalan. Pada sistim-sistim komunikasi yang sudah menerapkan saluran komunikasi dijital seperti kanal-kanal cara-cara pengiriman sinyal-sinyal yang mau saling dibandingkan sudah dapat dilakukan dengan lebih mudah dan tepat sesuai dengan teknik-teknik dijital sehingga pengukuran perbedaan fasa dapat dilakukan dengan teliti.
Disamping pengaruh faktor kelambatan komunikasi, faktor lain yang mempengaruhi pengukuran pada unit proteksi diferensial saluran transmisi khususnya dengan menggunakan rele perbandingan fasa pada sistim-sistim yang menggunakan media komunikasi antara lain adalah pengaruh arus kapasitif saluran kabel bawah tanah, pengaruh sudut tripping dan pengaruh arus beban. Namun karena media komunikasi Power Line Communication jarang dilakukan pada proteksi diferensial kabel bawah tanah, maka faktor-faktor tersebut tidak dibahas secara detail. Bagi pembaca yang ingin memahami teknik-teknik dan kompensasi yang diperlukan untuk meningkatkan stabilitas sistim proteksi diferensial kabel-kabel bawah tanah terhadap faktor-faktor tersebut dapat merujuk buku-buku manual rele proteksi diferensial tersebut.
4.9.2 Metoda Pengaktipan Frekuensi Pembawa
Hal pertama yang dilakukan untuk menjamin stabilitas suatu unit proteksi diferensial yang menggunakan Power Line Carrier sebagai media komunikasi terhadap gangguan eksternal adalah mengaktifkan sinyal frekuensi pembawa sebelum pengukuran dimulai. Untuk memberikan toleransi terhadap perbedaan harga arus pada kedua ujung saluran akibat hadirnya arus kapasitip saluran, maka dalam prakteknya elemen pengasut (starting) dibuat terdiri atas dua elemen.
Elemen yang pertama disebut sebagai Low set dan elemen yang lainnya disebut sebagai High set. Elemen Low set digunakan untuk mengendalikan rangkaian pengasut (start up) pemancar (carrier up) sedang elemen High set berfungsi sebagai syarat atau kondisi yang diperlukan sebelum proses pengukuran sudut fasa bisa dilakukan. Blok diagram perbandingan fasa dengan menggunakan power line carrier dapat dilihat seperti pada Gambar 4.13 dibawah. Elemen high set umumnya di set 20% sampai dengan 50% lebih tinggi dari setelan elemen Low Set5.
Pada sistim tegangan sampai 70 kV jenis rangkaian pengasut bisa terdiri dari rele arus lebih sedang pada tegangan lebih tinggi elemen pengasut bisa digunakan rele impedansi. Pada sistim-sistim yang sudah lebih maju modulasi besaran arus dilakukan pada kombinasi antara arus uratan negatif dan arus urutan positip misalnya kombinasi pengukuran selisih antara arus urutan positip dengan lima kali arus urutan negatip (I1 - 5I2) yang dipancarkan secara bersamaan dari dan ke ujung masing-masing saluran5. Kombinasi tersebut dapat menghasilkan keluaran yang konsisten untuk berbagai jenis gangguan.
Agar sistim ini tidak peka terhadap perubahan beban maka komponen urutan positip tersebut diatas dibuat berdasarkan tingkat kenaikan arus (rate of rise) tertentu yang nilainya tinggi. Dengan kata lain bila tingkat kenaikan arus tersebut tidak tinggi maka proses pengukuran gangguan tidak perlu dilakukan.
Rangkaian Squaring
Detector Gangguan
Oscillator Modulator Pemancar
Pewaktu
Rangkaian Pengasut
Rangkaian
Pembanding Demodulator Penerima Arus Gangguan Reset Rangkain Trip Hight Set Low Set Stabilitas TX R X
Gambar 4.13: Blok Diagram Perbandingan Fasa Dengan Menggunakan Power Line Carrier5
Penggunaan rangkaian pengasut impuls yang tanggap terhadap perubahan nilai arus yang mengalir dibuat untuk memperoleh sistim proteksi yang peka pada nilai arus yang kurang dari arus nominal. Penyetelan ulang rangkaian pengasut (starter) tersebut biasanya akan terjadi secara otomatis setelah beberapa waktu tertentu (swell times). Lamanya waktu tunggu dan karakteristik rangkaian penyetelan ulang harus diatur sedemikian sehingga selama terjadinya arus gangguan eksternal, elemen high set tidak akan aktif sebelum rangkaian low set direset lebih dulu.
Hal ini dimaksudkan untuk menghindarkan kesalahan operasi karena tidak adanya kordinasi antara rangkaian pengasut dengan rangkaian reset yang memungkinkan pengukuran dilakukan terhadap gangguan yang seharusnya gak perlu ditanggulangi. Pada waktu terjadi gangguan eksternal maka pemancar akan memancarkan sinyal pembawa tanpa memodulasi sinyal (unmodulated carrier) selama waktu yang singkat mengikuti bekerjanya rangkaian reset elemen low set. Fitur ini biasa disebut dengan Marginal Guard.
Rangkaian pembanding (komparator) merupakan perangkat pembangkit sinyal trip apabila interval antara blok-blok frekuensi lebih dari 300 dan memblok perintah tripping bila interval tersebut kurang dari sudut tersebut. Secara teoritis interval antara blok-blok frekuensi pada gangguan internal adalah sebesar 1800 sedang pada gangguan eksternal adalah sebesar 00. Namun dalam prakteknya jarak interval blok frekuensi tersebut biasanya lebih kecil dari 1800 khususnya sebagai akibat adanya pergeseran sudut antara kedua ujung sesuai dengan parameter saluran transmisi dan akibat adanya arus beban yang pada satu sisi harus ditambahkan ke arus gangguan dan pada sisi lain harus dikurangkan. Untuk lebih jelasnya pembaca diharapkan merujuk ke buku-buku manual Rele dan perangkat Power Line Carrier yang digunakan. Untuk menjamin stabilitas pada sistim-sistim unit proteksi dengan mengunakan media komunikasi lain seperti media komunikasi fiber optik dapat dilakukan dengan prinsip yang sama.